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  面對全球性的廢塑料污染挑戰，如何實現其高值化回收是學術界與工業界共同關注的焦點。近日，四川大學化學學院張帆教授團隊聯合石科院李明豐、煤化所劉星辰、北大馬丁團隊在國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發表了題為“通過自限域裂解與重整將聚乙烯高效轉化為低碳烯烴”的最新研究成果。該研究突破傳統石油裂解認知，首次揭示了熔融態聚乙烯在催化裂解過程中存在的獨特 “自限域”效應（Self-confined Cracking） ，并基于此開發了一種在溫和條件下將廢聚乙烯高效、高選擇性轉化為高價值輕質烯烴的新策略，為廢塑料的“升級回收”（Upcycling）提供了新思路。

  面對全球性的廢塑料污染挑戰，如何實現其高值化回收是學術界與工業界共同關注的焦點。近日，四川大學化學學院張帆教授團隊聯合石科院李明豐、煤化所劉星辰、北大馬丁團隊在國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發表了題為“通過自限域裂解與重整將聚乙烯高效轉化為低碳烯烴”的最新研究成果。該研究突破傳統石油裂解認知，首次揭示了熔融態聚乙烯在催化裂解過程中存在的獨特 “自限域”效應（Self-confined Cracking） ，并基于此開發了一種在溫和條件下將廢聚乙烯高效、高選擇性轉化為高價值輕質烯烴的新策略，為廢塑料的“升級回收”（Upcycling）提供了新思路。

  聚烯烴塑料（主要為聚乙烯PE和聚丙烯PP）因其優異的性能和低廉的成本，占全球塑料產量的半壁江山。然而，其極高的化學惰性和穩定的碳碳鍵，也使得其在自然環境中難以降解，大量廢棄物的累積造成了嚴重的“白色污染”和環境壓力。傳統的機械回收存在降級損耗、性能劣化的問題。化學回收，特別是催化裂解技術，能將聚合物長鏈“打碎”成小分子，被視為實現閉環循環和升級回收的理想路徑。然而，現有技術大多直接借鑒石油煉制的經驗，面臨反應溫度高（>700 °C）、能耗大、產物分布寬且選擇性差等瓶頸。其根本原因在于，忽視了高分子聚合物與低碳烴小分子在物理化學性質上的本質差異，尤其是其在反應條件下獨特的熔融態行為。

研究出發點：從“催化劑限域”到“反應物自限域”

  經典的催化裂解研究核心在于催化劑工程，即通過調控沸石催化劑的酸性質（酸類型、酸密度、金屬改性）和孔道結構來優化反應路徑和產物選擇性。張帆教授團隊獨辟蹊徑，將研究焦點從“催化劑”轉向了“反應物本身”。他們提出一個創新性問題：熔融態的聚乙烯在催化劑表面形成的覆蓋層，是否本身就會創造一個獨特的反應微環境，從而主導整個裂解進程？

  為了回答這個問題，團隊設計了一系列精巧的實驗，并與分子動力學模擬相結合，深入探究了熔融聚乙烯與催化劑之間的相互作用及其對反應路徑的影響。

1．聚烯烴自限域裂解現象和影響因素

  研究團隊發現，在300°C的溫和條件下，聚乙烯催化裂解產物中C?-C?烯烴的收率高達70%，遠高于同條件下的低碳烴裂解。更重要的是，通過改變催化劑/聚乙烯（C/P）質量比條件，可有效抑制氫轉移等副反應，減少烷烴和芳烴的生成。丙烯化學吸附實驗表明，聚烯烴熔融層顯著抑制烯烴中間體的吸附。反應過程追蹤顯示，聚烯烴裂解初期由非經典碳正離子機制主導，僅生成烷烴產物；隨碳正離子濃度上升，β-裂解逐漸成為主路徑，并在熔融層限域作用下高效生成低碳烯烴，副反應極少；反應后期自限域效應減弱，芳烴類副產物開始出現。

2．聚烯烴自限域裂解的獨特性質

  通過選擇性毒化沸石外表面酸性位點，研究團隊發現聚烯烴裂解主要發生于沸石外表面，而低碳烴裂解則多在孔道內部進行。對比不同熔融指數（MFR）的聚乙烯原料發現，聚乙烯的熔體流動速率是影響產物分布的關鍵因素，其重要性甚至超過了催化劑的酸性和孔道結構。高MFR（流動性好）的PE更能形成致密的包裹層，從而產生更強的“自限域”效應，獲得更高的烯烴選擇性。

3．分子動力學模擬

  為了從原子層面理解該過程，團隊進行了深入的分子動力學模擬。模擬結果表明，長鏈烴與沸石骨架之間存在強范德華力，高分子鏈間亦具有較高親和性，使得聚烯烴形成致密熔融層包裹沸石。己烯擴散行為模擬顯示，隨碳鏈增長，其擴散系數顯著下降，僅鏈長短于C12的產物可有效穿透聚乙烯熔融層，與實驗所得產物分布高度一致。模擬還揭示了聚乙烯熔融層對沸石表面Br?nsted酸位（BAS）的空間限制效應：無熔融層時，丙烯可自由擴散至沸石孔道—這也是副反應生成C?–C?芳烴的主要區域；而有PE熔融層包覆時，C?H?與沸石表面完全隔離。隨著PE層增厚，C?H?在沸石b軸方向的擴散能力顯著下降。

4．實際應用展示

  研究團隊進一步考察了該自限域裂解工藝的實際應用潛力。針對農業地膜、包裝袋等多種來源的廢棄聚乙烯，該技術均表現出較高的烯烴收率。由于自限域效應有效抑制副反應，該工藝特別適用于工業化連續進料工況，可長期穩定維持高烯烴選擇性。此外，將自限域裂解與催化重整工藝集成，可實現產物分布的靈活調控，定向生成C?–C?輕烯烴和BTX芳烴，展現出良好的技術適應性與集成能力。

  本研究不僅發現了一種全新的聚乙烯催化裂解機制——“自限域裂解”，更提供了從“反應物”視角而非單純“催化劑”視角來設計化工過程的新范式。該技術的核心優勢在于：

  溫和高效： 300°C實現高選擇性轉化，能耗低。

  產物導向靈活： 可通過工藝調節，定向生產高值烯烴或芳烴。

  潛力巨大： 為廢棄聚烯烴的化學升級回收提供了一條極具工業化前景的新路徑。

  展望未來，研究團隊計劃進一步探索該技術對復雜混合廢塑料的適應性，并推進催化劑與反應器的協同設計，推動該過程從實驗室走向規模化應用，最終為構建塑料循環經濟、實現“雙碳”目標提供關鍵技術支撐。

課題組介紹

  四川大學化學學院張帆團隊長期致力于綠色催化、非常規碳資源轉化與利用的研究，特別是圍繞廢棄碳資源（如CO?、廢塑料）的催化轉化制備高值化學品。團隊注重基礎研究與工程應用的結合，致力于為解決能源環境問題提供化學領域的解決方案。課題組網站鏈接：https://www.x-mol.com/groups/SCUzhangfan

論文信息：

Efficient conversion of polyethylene to light olefins by self-confined cracking and reforming

第一作者： 董忠文、彭博

通訊作者： 張帆、李明豐、劉星辰、馬丁

通訊單位： 四川大學化學學院

論文DOI： 10.1038/s41467-025-63116-8

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63116-8